JPWO2020012691A1 - 容量素子 - Google Patents

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Abstract

容量素子(101)は、基板(1)と、基板(1)に形成された下部電極(10)と、下部電極(10)に対向配置された複数の第1上部電極(41A,41B)と、下部電極(10)に対向配置された第2上部電極(42A,42B)と、下部電極(10)と第1上部電極(41A,41B)との間、及び下部電極(10)と第2上部電極(42A,42B)との間に配置された誘電体層と、第1上部電極(41A,41B)を互いに接続する第1配線導体(61)と、第2上部電極(42A,42B)を互いに接続する第2配線導体(62)と、を備える。そして、下部電極(10)に沿った面方向でX軸方向に、第1上部電極(41A,41B)と第2上部電極(42A,42B)とは隣接し、かつ下部電極(10)に沿った面方向でY軸方向に、第1上部電極(41A,41B)と第2上部電極(42A,42B)とは隣接する。

Description

本発明は、電子機器に組み込まれる容量素子に関し、特に低ESR(等価直列抵抗)に適した容量素子に関する。
誘電体層及びそれを挟む電極が薄膜プロセスで形成された薄膜容量素子は、一般に、小型でESL(等価直列インダクタンス)が低い特性が活かされ、例えば高周波回路におけるフィルタや整合回路に用いられる。
従来の薄膜容量素子は、例えば特許文献1、特許文献2に示されるように、ペロブスカイト型酸化物誘電体材料で構成される高誘電率の誘電体層を上部電極と下部電極とで挟み込むMIM(metal-insulator-metal)構造を備える。
ペロブスカイト型酸化物誘電体材料による誘電体膜は酸化性雰囲気中で高温で処理されるので、下部電極には耐酸化性に優れるPt(白金)薄膜が用いられる。
特許文献1に示される容量素子は、下部共通電極と、下部共通電極に対向配置された第1上部電極及び第2上部電極を備え、第1上部電極及び第2上部電極は、対向する辺同士の対向長さを長くするために、相互に噛み合うような形状を有する。
特許文献2に示される容量素子は、基板上に複数の下部電極を左右方向へ間隔を隔てて配置するとともに、複数の下部電極のうち少なくとも1つの下部電極の上に、左右方向へ間隔を隔てて2つの誘電体層を設け、更に2つの誘電体層上のそれぞれに上部電極層を設けるとともに、2つの上部電極層を左右方向へ間隔を隔てて配置することにより、誘電体層を下部電極層と上部電極層とで挟んでなる2つの容量発生部を構成し、2つの上部電極層のそれぞれに独立して引出し電極層が設けられたものである。
特許第4738182号公報 特許第4535817号公報
薄膜容量素子は、体積あたりに得られる容量が大きいので、小型で高容量のコンデンサ素子として用いることができる。しかし、例えばフィルタ回路のQ値や挿入損失の特性には薄膜容量素子のESR(等価直列抵抗)が大きな因子となる。薄膜容量素子は、上述のとおり、上部電極及び下部電極にPt薄膜を用いるので、これら電極の導電率の低さによって低ESR性が得られない。
図19(A)は特許文献2に示される容量素子の概略構造の平面図であり、図19(B)は特許文献2に示される容量素子の概略構造の断面図である。
また、図20は、特許文献2に示される構造の容量素子の各電極に流れる電流の配向の例を示す図である。
図19(A)、図19(B)に示す従来構造の容量素子は、基板上に複数の下部電極10を左右方向へ間隔を隔てて配置するとともに、各下部電極10の上に、左右方向へ間隔を隔てて2つの誘電体層及び上部電極41,42を設けるとともに、2つの上部電極41,42を左右方向へ間隔を隔てて配置し、2つの上部電極41,42のそれぞれに独立して引出し電極60が設けられたものである。
図20において実線の矢印は実電流の経路、破線の矢印は変位電流の経路をそれぞれ表す。図20に表れているように、平面視で、第1上部電極41と第2上部電極42とが近接して対向する長辺間を流れる電流の経路PSは下部電極上で最短となる。しかし、第1上部電極41と第2上部電極42の、対向しない長辺間の周辺を通過する電流の経路PLは最長となる。つまり、電流経路の長さが不均一となって、電流密度の分布に偏りが生じる。言い換えると、下部電極の面積が有効利用されず、電流経路の短い箇所に電流が集中して、その箇所での抵抗損失が相対的に大きい。
電流経路PS,PLを構成する下部電極10はシート抵抗の高い材料であるので、電流密度が不均一であると、下部電極10に起因するESR(等価直列抵抗)が充分に小さくできない。さらに、近接して対向する長辺間を流れる電流の経路PSの電流密度が高くなるので、高周波電流の通電時に下部電極で発熱しやすい、という問題もある。
そこで、本発明の目的は、電極の形状及び配置に工夫を加えて、ESRを効果的に低減した容量素子を提供することにある。
本発明の容量素子は、
基板と、
前記基板に形成された下部電極と、
前記下部電極に対向配置された複数の第1上部電極と、
前記下部電極に対向配置された複数の第2上部電極と、
前記下部電極と前記複数の第1上部電極との間、及び前記下部電極と前記複数の第2上部電極との間に配置された誘電体層と、
前記複数の第1上部電極を互いに接続する第1配線導体と、
前記複数の第2上部電極を互いに接続する第2配線導体と、
を備え、
前記複数の第1上部電極及び前記複数の第2上部電極は、前記下部電極に沿った面方向で第1軸方向に、前記第1上部電極と前記第2電極とが隣接し、かつ前記下部電極に沿った面方向で第2軸方向に、前記第1上部電極と前記第2電極とが隣接状態に配置されたことを特徴とする。
上記構成により、第1上部電極からこの第1上部電極に隣接する複数の第2上部電極までのそれぞれの電流経路の経路長が等しくなるか又は近似するので、下部電極に流れる電流の密度分布が均一化される。これにより、低ESRの容量素子が得られる。
本発明によれば、下部電極に流れる電流の密度分布が均一化され、電流集中が緩和されるので、ESRが効果的に低減された容量素子が得られる。
図1は第1の実施形態に係る容量素子101の主要部の平面図である。 図2(A)は図1におけるY1−Y1部分の断面図であり、図2(B)は図1におけるY2−Y2部分の断面図である。図2(C)は図1におけるX1−X1部分の断面図であり、図2(D)は図1におけるX2−X2部分の断面図である。 図3(A)は、容量素子101が備える容量形成部の接続関係を示す回路図であり、図3(B)は下部電極10の抵抗成分を抵抗素子で表現した等価的回路図である。 図4(A)、図4(B)は、下部電極を他の回路部へ接続する構造である場合の回路図である。 図5は、第1の実施形態の容量素子101と従来構造の容量素子とのQ値の周波数特性を示す図である。 図6は第2の実施形態に係る可変容量素子102の主要部の断面図である。 図7(A)、図7(B)、図7(C)、図7(D)は、可変容量素子102の製造工程の各段階での断面図である。 図8(A)、図8(B)、図8(C)、図8(D)は、可変容量素子102の製造工程の各段階での断面図である。 図9(A)、図9(B)、図9(C)、図9(D)は、可変容量素子102の製造工程の各段階での断面図である。 図10(A)、図10(B)、図10(C)、図10(D)は、可変容量素子102の製造工程の各段階での断面図である。 図11(A)は第2の実施形態の可変容量素子102の回路図である。図11(B)は、バイアス電圧を生成する抵抗分圧回路を備える可変容量素子202の回路図である。 図12は第2の実施形態の可変容量素子202を備える通信回路の一例を示す図である。 図13は第3の実施形態に係る可変容量素子103の平面図である。 図14は可変容量素子103の回路図である。 図15(A)は下部電極10の平面図であり、図15(B)は上部電極41A,41B,42A,42Bの平面図であり、図15(C)は耐湿保護膜PC1及び有機保護膜PC2の平面図であり、図15(D)は第1配線導体61及び第2配線導体62の平面図である。 図16(A)は層間絶縁膜SR1の平面図であり、図16(B)は抵抗素子9の平面図であり、図16(C)は層間絶縁膜SR2の平面図であり、図16(D)は配線導体膜WF3の平面図である。 図17(A)は、外部接続電極P11,P12,P13,P14の位置に形成されるAu/Niめっき膜の平面図であり、図17(B)はソルダーレジスト膜SR3の平面図である。 図18は第4の実施形態に係る容量素子104の主要部の平面図である。 図19(A)は特許文献2に示される容量素子の概略構造の平面図であり、図19(B)は特許文献2に示される容量素子の概略構造の断面図である。 図20は、特許文献2に示される構造の容量素子の各電極に流れる電流の配向の例を示す図である。
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付す。第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係る容量素子101の主要部の平面図である。図2(A)は図1におけるY1−Y1部分の断面図であり、図2(B)は図1におけるY2−Y2部分の断面図である。図2(C)は図1におけるX1−X1部分の断面図であり、図2(D)は図1におけるX2−X2部分の断面図である。ただし、図2(A)〜図2(D)では、容量形成部の範囲について示している。
容量素子101は、基板1と、この基板1に形成された導体、誘電体、絶縁体等で構成される。基板1はX−Y直交座標系においてX軸方向及びY軸方向に拡がる面を有する。基板1の面には下部電極10が形成されている。下部電極10上には誘電体層30が形成されている。誘電体層30の上面には二つの第1上部電極41A,41B及び二つの第2上部電極42A,42Bが形成されている。
下部電極10に沿った面方向で、第1上部電極41Aと第2上部電極42AとはX軸方向に隣接し、同様に、第1上部電極41Bと第2上部電極42BとはX軸方向に隣接する。また、下部電極10に沿った面方向で、第1上部電極41Aと第2上部電極42BとはY軸方向に隣接し、同様に、第1上部電極41Bと第2上部電極42AとはY軸方向に隣接する。本実施形態において、X軸方向は本発明における「第1軸方向」に相当し、Y軸方向は本発明における「第2軸方向」に相当する。
第1上部電極41A,41B及び第2上部電極42A,42Bは、それぞれのX軸方向の幅とY軸方向の幅が実質的に等しい。本実施形態では、角部に丸みを有する概略正方形である。また、第1上部電極41A,41Bと第2上部電極42A,42Bとの間隔はX軸方向とY軸方向とで実質的に等しい。
基板1には、第1配線導体61、第2配線導体62、第1外部電極71、及び第2外部電極72が更に形成されている。第1配線導体61、第2配線導体62の形成層と、上部電極41A,41B,42A,42Bの形成層とは異なる。また、第1配線導体61、第2配線導体62の形成層と、第1外部電極71、第2外部電極72の形成層とは異なる。
二つの第1上部電極41A,41Bは第1配線導体61を介して互いに電気的に接続されている。また、二つの第2上部電極42A,42Bは第2配線導体62を介して互いに電気的に接続されている。そして、第1配線導体61は第1外部電極71に接続されていて、第2配線導体62は第2外部電極72に接続されている。下部電極10はPt膜又はPtを主成分とする金属膜であるのに対し、第1配線導体61及び第2配線導体62はTi/Cu/Ti膜など、Cu層を主層とする金属膜やAl膜等の金属膜である。つまり、第1配線導体61及び第2配線導体62は下部電極10よりもシート抵抗が低い。そのため、第1配線導体61及び第2配線導体62が下部電極10のように縦横に広がっていなくても、線路抵抗は小さく、第1上部電極同士の並列接続部、及び第2上部電極同士の並列接続部でのESRの実質的な増加は無い。
図2(A)〜図2(D)に示すように、下部電極10、第1上部電極41A、及び誘電体層30によって容量形成部C11が形成されていて、下部電極10、第1上部電極41B、及び誘電体層30によって容量形成部C12が形成されている。同様に、下部電極10、第2上部電極42A、及び誘電体層30によって容量形成部C21が形成されていて、下部電極10、第2上部電極42B、及び誘電体層30によって容量形成部C22が形成されている。
図3(A)は、容量素子101が備える容量形成部の接続関係を示す回路図であり、図3(B)は下部電極10の抵抗成分を抵抗素子で表現した等価的回路図である。
図3(A)に表れているように、容量素子101は、電気回路的には、容量形成部C11と容量形成部C12とが下部電極10を介して並列接続され、同様に、容量形成部C21と容量形成部C22とが下部電極10を介して並列接続されている。また、容量形成部C11,C12の並列接続回路と容量形成部C21,C22の並列接続回路とが下部電極10を介して直列接続されている。
下部電極10は第1配線導体61や第2配線導体62に比べて導電率が低い(抵抗率が高い)ので、下部電極10を抵抗素子で表すと、図3(B)に示すように、容量形成部C11の片方の電極と容量形成部C21,C22の片方の電極との間が抵抗で接続されていて、容量形成部C12の片方の電極と容量形成部C21,C22の片方の電極との間が抵抗で接続されているように表される。ここでは、第1外部電極71をポートP1、第2外部電極72をポートP2、でそれぞれ表している。
このようにして下部電極10に電流が分散して流れる。つまり電流集中が緩和されるので、ESRが効果的に低減された容量素子が得られる。
特に、第1上部電極41A,41Bと第2上部電極42A,42Bとの間隔はX軸方向とY軸方向とで実質的に等しいので、X軸方向、Y軸方向のいずれの方向についても下部電極10に電流が分散して流れやすく、ESRの低減効果が高い。
図4(A)、図4(B)は、下部電極を他の回路部へ接続する構造である場合の回路図である。図4(A)は、容量素子101が備える容量形成部の接続関係を示す回路図であり、図4(B)は下部電極10の抵抗成分を抵抗素子で表現した等価的回路図である。
図4(A)に示す例では、下部電極10から例えば抵抗素子等の他の回路部に接続されるポートP0が引き出されている。このような容量素子では、図4(B)に示すように、容量形成部C11の片方の電極と容量形成部C21,C22の片方の電極との間が抵抗で接続されていて、容量形成部C12の片方の電極と容量形成部C21,C22の片方の電極との間が抵抗で接続されているように表され、更に抵抗を介してポートP0が接続されているように表される。
図5は、本実施形態の容量素子101と従来構造の容量素子とのQ値の周波数特性を示す図である。図5においてQ1は本実施形態の容量素子101の特性であり、Q2は第1比較例の容量素子の特性であり、Q3は第2比較例の容量素子の特性である。
第1比較例の容量素子は、特許文献1に示されているように、第1上部電極の一辺と第2上部電極の一辺とが、相互に噛み合うように形状した容量素子である。第2比較例の容量素子は、図19(A)、図19(B)に示されているように、下部電極と、第1上部電極及び第2上部電極との組を複数組一列に配列した構造の容量素子である。
本実施形態の容量素子101、第1比較例の容量素子、第2比較例の容量素子のいずれも、得られるキャパシタンスが等しくなるように、各電極の大きさを定めている。ただし、互いに隣接する第1電極と第2電極との間隔は同じ条件である。
ここで、容量素子のESRをR、キャパシタンスをCで表すと、容量素子のインピーダンスZは
Z=R+jX
X=1/(2πfC) で表される。
容量素子のQ値は、Q=X/Rで表されるので、図5に表れているように、周波数が高くなるほどQ値は低下する。
本実施形態の容量素子101はESRが低いので、そのQ値は上記二つの比較例のQ値より高い。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、バイアス電圧印加回路を備える可変容量素子の例を示す。
図6は第2の実施形態に係る可変容量素子102の主要部の断面図である。図7、図8、図9、図10は可変容量素子102の製造工程の各段階での断面図である。
本実施形態の可変容量素子102は、図6に表れているように、基板1上に各種パターンが薄膜プロセスで形成された素子である。図6において基板1は表面にSiO2 膜SOFが形成されたSi基板である。この基板1上に強誘電体膜FS1、下部電極10、誘電体層30、第1上部電極41、第2上部電極42、強誘電体膜FS2が、この順に形成されている。このことにより、8つの容量形成部(容量形成部C11,C12,C21,C22が2組)が形成されている。
上記下部電極10、第1上部電極41、第2上部電極42はいずれも例えばPt膜又はPtを主成分とする金属膜である。この下部電極10、第1上部電極41、第2上部電極42はAu膜等であってもよい。上記誘電体層30は例えば(Ba,Sr)TiO3 (BST)等の強誘電体膜である。強誘電体膜FS1,FS2も同様にBST膜等の強誘電体膜である。
2組の容量形成部C11,C12,C21,C22の上部及び基板1の上部には、SiO2 膜等の耐湿保護膜PC1が被覆されている。この耐湿保護膜PC1の上部にはポリベンゾオキサゾール(PBO)樹脂等の有機保護膜PC2が形成されている。
有機保護膜PC2の上部には配線導体膜WF2が形成されている。また、この配線導体膜WF2はコンタクトホールを介して第1上部電極41、第2上部電極42の所定箇所に接続されている。また、配線導体膜WF2はコンタクトホールを介して後に述べる配線導体膜WF1に接続されている。
配線導体膜WF2の表面には層間絶縁膜SR1が形成されている。この層間絶縁膜SR1の表面に抵抗素子9が形成されている。
抵抗素子9の抵抗膜は、薄膜プロセス(フォトリソグラフィ及びエッチング技術を利用したプロセス)又は厚膜プロセス(スクリーン印刷等の印刷技術を利用したプロセス)で形成されている。各抵抗素子の抵抗値は、抵抗膜パターンの幅、長さ及び厚みによって定められる。
層間絶縁膜SR1の表面には層間絶縁膜SR2が形成されている。この層間絶縁膜SR2の表面には配線導体膜WF3が形成されている。また、この配線導体膜WF3は、層間絶縁膜SR1,SR2に形成されたコンタクトホールを介して配線導体膜WF2に接続されている。
層間絶縁膜SR2の表面にはソルダーレジスト膜SR3が被覆されている。そして、このソルダーレジスト膜SR3の開口で且つ配線導体膜WF3の表面には端子T1,T2,TG等が形成されている。
強誘電体膜FS1はSiO2 膜SOF及び耐湿保護膜PC1に対する密着用・拡散防止用の絶縁膜である。また、強誘電体膜FS2は耐湿保護膜PC1に対する密着用の絶縁膜である。
配線導体膜WF2,WF3は、Ti/Cu/Tiの三層からなり、Ti層の厚みは例えば100nmであり、Cu層の厚みは例えば1000nmである。
端子T1,T2,TG等は、Au/Niの二層からなり、下層のNi層の厚みは例えば2000nmであり、上層のAu層の厚みは例えば200nmである。
耐湿保護膜PC1は有機保護膜PC2から放出される水分が容量素子部に浸入するのを防止する。この耐湿保護膜PC1としては、上記SiO2 以外にSiNx、Al2O3 、TiO2 等を使用することができる。また、有機保護膜PC2は外部からの機械的応力を吸収する。この有機保護膜PC2としては、上記PBO樹脂以外に、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等を使用することができる。
前記抵抗素子9の抵抗材料は例えば、NiとCrを主成分とする合金である。
なお、誘電体層30、強誘電体膜FS1,FS2に使用される薄膜材料としては、上記BST以外に、SrTiO3 、BaTiO3 、Pb(Zr,Ti)O3 等のペロブスカイト化合物、SrBi4Ti4O15 等のビスマス層状化合物等の高誘電率を有する誘電体材料が使用することができる。
配線導体膜WF2のうち、第1上部電極41同士を接続する部分が、本発明に係る「第1配線導体」に相当し、第2上部電極42同士を接続する部分が、本発明に係る「第2配線導体」に相当する。
配線導体膜WF2,WF3には、上記Ti/Cu/Ti膜以外にAl膜を使用することもできる。
基板1にはN型拡散領域51が形成されていて、このN型拡散領域51内に二つのP型拡散領域52が形成されている。耐湿保護膜PC1上には配線導体膜WF1が形成されていて、この配線導体膜WF1は、耐湿保護膜PC1及びSiO2 膜SOFに形成されたコンタクトホールを介して拡散領域52に接続されている。この拡散領域51,52によって、方向が互いに異なる二つのツェナーダイオードが直列接続された構造のESD(Electro-Static-Discharge)保護素子が構成される。図6の断面では一箇所しか表れていないが、可変容量素子102には二組のESD保護素子が構成されている。
次に、可変容量素子102の製造工程を、図7〜図10を参照して説明する。
先ず、図7(A)に示すように、基板1に対して例えばイオン注入によってN型拡散領域51を形成し、このN型拡散領域51内にイオン注入によって二つのP型拡散領域52を形成する。
その後、図7(B)に示すように、基板1の表面に例えばCVD法によってSiO2 膜SOFを形成する。
次に、図7(C)に示すように、SiO2 膜SOF上にPt膜とBST膜とを交互に形成してMIM(metal-insulator-metal)層を形成する。このMIM層はスピンコート、焼成、スパッタリングを繰り返しによって形成する。
その後、図7(D)に示すように、MIM層を、例えばICP-RIE法で所定パターンに形成し、焼成炉で焼成する。
次に、図8(A)に示すように、SiO2 膜のスパッタリングによって、SiO2 膜SOF及びMIM層に耐湿保護膜PC1を被覆する。
その後、図8(B)に示すように、例えばICE-RIE法によって、拡散領域52上にコンタクトホールを形成する。
続いて、図8(C)に示すように、例えばAlのスパッタリング及びICP-RIEによって、耐湿保護膜PC1上に配線導体膜WF1を形成する。
次に、図8(D)に示すように、耐湿保護膜PC1及び配線導体膜WF1上にPBOを塗布し、フォトリソグラフィ及びキュアによってコンタクトホールを形成し、ICP-RIEによって、SiO2 膜SOF及びMIM層のBST膜を加工する。これにより、所定パターンの有機保護膜PC2を形成する。
その後、図9(A)に示すように、有機保護膜PC2上に、Ti/Cu/Tiのスパッタリング及びウェットエッチング法によって配線導体膜WF2を形成する。
その後、図9(B)に示すように、配線導体膜WF2及び有機保護膜PC2上にソルダーレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ及びキュアによって層間絶縁膜SR1を形成する。
その後、図9(C)に示すように、層間絶縁膜SR1上に、NiCrSi膜を電子ビーム蒸着法で形成し、パターンニングすることで抵抗素子9を形成する。
その後、層間絶縁膜SR1の表面及び抵抗素子9の表面にソルダーレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ及びキュアによって層間絶縁膜SR2を形成する。
その後、図10(A)に示すように、層間絶縁膜SR2上にTi/Cu/Tiのスパッタリング及びウェットエッチング法によって配線導体膜WF3を形成する。
続いて、図10(B)に示すように、配線導体膜WF3の表面にAu/Niめっき膜を形成し、パターンニングを行うことで、端子T1,T2,TG等を形成する。
その後、図10(C)に示すように、配線導体膜WF3をウェットエッチング法によりパターンニングする。
最後に、図10(D)に示すように、層間絶縁膜SR2、配線導体膜WF3及び端子T1,T2,TG等の表面にソルダーレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ及びキュアによってソルダーレジスト膜SR3を被覆する。
図11(A)は本実施形態の可変容量素子102の回路図である。図11(A)においては、容量形成部C11,C12,C21,C22をコンデンサの記号で表している。この可変容量素子102は、4つの容量形成部(C11,C12,C21,C22)二組による合計8つの容量形成部、複数の抵抗素子R、及びESD保護素子ESD1,ESD2で構成されている。容量形成部C11,C12は並列接続され、容量形成部C21,C22は並列接続され、この2つの並列接続部が直列接続されている。複数の抵抗素子Rは複数の容量形成部に直流又は低周波のバイアス電圧を印加する電圧印加経路として作用する。
端子TCと端子TGとの間に上記バイアス電圧が印加される。端子T1と端子T2との間の容量は上記バイアス電圧に応じて定まる。
図11(B)は、バイアス電圧を生成する抵抗分圧回路を備える可変容量素子202の回路図である。図11(B)において、可変容量素子部VCは図11(A)に示した回路と同じである。図11(B)に示す抵抗素子R11〜R15の抵抗値は、それらの抵抗値のうち最も低いものを基準として2の累乗の比率で定められている。例えば、抵抗素子R11,R12,R13,R14,R15の抵抗値の比率は1:2:4:8:16に定められている。そのため、端子T11〜T15をハイレベルに接続するかローレベルに接続するかによって、その組み合わせによって、可変容量素子部VCへ印加されるバイアス電圧は2の5乗(=32)通りの値をとり得る。
図12は本実施形態の可変容量素子202を備える通信回路の一例を示す図である。この通信回路は例えばNFC(Near Field Communication)用の送受信回路である。図12では、RFIC11の二つのTX端子(送信信号端子)に接続される回路も表している。図12において容量素子C51,C52はRFIC11とアンテナコイル13との結合度調整用の素子である。また、インダクタL51,L52及び容量素子C61,C62,C71,C72は送信フィルタを構成している。例えば通信回路がカードモードで動作する場合、RFIC11はパッシブ動作するので、RX端子への入力信号から電源電圧を生成するとともに受信信号を読み取り、送信時にはTX端子に接続されている回路(負荷)を負荷変調する。また、例えば通信回路がリーダライタモードで動作する場合には、RFIC11はアクティブ動作するので、送信時にRX端子を開放してTX端子から送信信号を送信し、受信時にはTX端子を開放してRX端子から受信信号を入力する。このように、通信回路は動作モードに応じて、RFIC11からアンテナコイル13側を見たインピーダンスが変化する。動作モードに応じてアンテナ回路の共振周波数が最適となるように、つまり、RFIC11からアンテナコイル13側を見たインピーダンスが整合するように、可変容量素子202の容量が制御される。
なお、可変容量素子102の両端とグランドとの間にそれぞれESD保護素子ESD1,ESD2が接続される。これらのESD保護素子ESD1,ESD2はアンテナコイル13から入る静電気放電サージをグランドへバイパスして、RFIC11へ過電圧が印加されるのを防止する。
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、バイアス電圧印加回路を備える可変容量素子の例を示す。
図13は可変容量素子103の平面図であり、図14は可変容量素子103の回路図である。図13では可変容量素子103を構成する各層のパターンが重なって表れている。各層のパターンは後に示す。
本実施形態の可変容量素子103の断面構造は、第2の実施形態で図6に示した構造と基本的に同じである。ただし、本実施形態の可変容量素子103はESD保護素子を備えていない。
本実施形態の可変容量素子103は、図14に示すように、4つの容量形成部(C11,C12,C21,C22)四組による合計16個の容量形成部と複数の抵抗素子Rとで構成されている。
図15、図16、図17は可変容量素子103の各層の平面図である。図15(A)に示すように、下部電極10は4箇所に形成されている。また、図15(B)に示すように、上部電極41A,41B,42A,42Bの組が4箇所に形成されている。これら上部電極の上には図15(C)に示すように、耐湿保護膜PC1が形成されている。この耐湿保護膜PC1の上には、図15(D)に示すように、第1配線導体61及び第2配線導体62が複数組形成されている。
上記配線導体の上には層間絶縁膜SR1が形成されていて、この層間絶縁膜SR1の上に図16(B)に示すような抵抗膜による抵抗素子9が形成されている。
抵抗膜の上には、図16(C)に示すように層間絶縁膜SR2が形成されている。この層間絶縁膜SR2の上に、図16(D)に示すように端子用及び抵抗膜接続用の配線導体膜WF3が形成されている。
上記端子用配線導体の表面には、図17(A)に示すように、外部接続電極P11,P12,P13,P14の位置にAu/Niめっき膜が形成されている。このAu/Niめっき膜の形成層の上にはソルダーレジスト膜SR3が被覆されている。
《第4の実施形態》
第4の実施形態では、これまでに示した容量素子に比べて容量形成部の数が多い容量素子について示す。
図18は第4の実施形態に係る容量素子104の主要部の平面図である。
容量素子104は、基板1に形成された導体、誘電体、絶縁体等で構成される。基板1はX−Y直交座標系においてX軸方向及びY軸方向に拡がる面を有する。基板1の面には下部電極10が形成されている。下部電極10上には誘電体層が形成されていて、この誘電体層の上面に5個の第1上部電極41A,41B,41C,41D,41E及び4個の第2上部電極42A,42B,42C,42Dが形成されている。
合計9個の上部電極は次の関係に配置されている。先ず、下部電極10に沿った面方向でかつX軸方向に、第1上部電極41A,41Bの間に第2上部電極42Aが配置されている。また、第2上部電極42B,42Dの間に第1上部電極41Cが配置されている。また、第1上部電極41D,41Eの間に第2上部電極42Cが配置されている。さらに、下部電極10に沿った面方向でかつY軸方向に、第1上部電極41A,41Dの間に第2上部電極42Bが配置されている。また、第2上部電極42A,42Cの間に第1上部電極41Cが配置されている。また、第1上部電極41B,41Eの間に第2上部電極42Dが配置されている。
つまり、複数の第1上部電極及び複数の第2上部電極は、下部電極10に沿った面方向でX軸方向に、第1上部電極と第2上部電極とが隣接し、かつ下部電極10に沿った面方向でY軸方向に、第1上部電極と第2上部電極とが隣接する状態に配置されている。
このように、下部電極10、上部電極41A〜41E,42A〜42D、及び誘電体層によって9個の容量形成部が形成されている。
第1上部電極41A〜41Eのうち、隣接する第1上部電極同士の間隔、及び第2上部電極42A〜42Dのうち、隣接する第2上部電極同士の間隔に比べて、隣接する第1上部電極と第2上部電極との間隔は狭い。例えば、第1上部電極41A,41C間、第2上部電極42A,42B間等に比べて、第1上部電極41Aと第2上部電極42Aとの間隔は狭い。
上記基板1には、第1配線導体61A,61B、第2配線導体62が更に形成されている。第1配線導体61A,61B、第2配線導体62の形成層と、上部電極41A〜41E,42A〜42Dの形成層とは異なる。
第1上部電極41A,41B,41Cは第1配線導体61Aを介して互いに電気的に接続されている。また、第1上部電極41D,41Eは第1配線導体61Bを介して互いに電気的に接続されている。また、第2上部電極42A,42B,42C,42Dは第2配線導体62を介して互いに電気的に接続されている。第1配線導体61A,61Bは別の層で互いに接続されている。そして、第1配線導体61A,61B及び第2配線導体62はそれぞれ外部電極やその他の回路に接続されている。
このように、第1上部電極と第2上部電極とを、1軸方向に沿って、又はそれぞれ2軸方向に沿って交互に配置することによって、5個以上の上部電極を有する容量素子を構成してもよい。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。例えば、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
例えば、本発明に係る第1上部電極と第2上部電極の形状は正方形や概略正方形に限るものではなく、長方形や概略長方形であってもよい。
また、本発明に係る「第1軸方向」と「第2軸方向」とは直交関係に限るものではなく、60度や120度で交差する関係にあってもよい。
C11,C12,C21,C22…容量形成部
C51,C52,C61,C62,C71,C72…容量素子
ESD1,ESD2…ESD保護素子
FS1,FS2…強誘電体膜
L51,L52…インダクタ
P0,P1,P2…ポート
P11,P12,P13,P14…外部接続電極
PC1…耐湿保護膜
PC2…有機保護膜
PS,PL…電流経路
R…抵抗素子
R11,R12,R13,R14,R15…抵抗素子
SR1,SR2…層間絶縁膜
SR3…ソルダーレジスト膜
T1,T2,TC,TG…端子
T11〜T15…端子
VC…可変容量素子部
WF1,WF2,WF3…配線導体膜
1…基板
9…抵抗素子
10…下部電極
11…RFIC
13…アンテナコイル
30…誘電体層
41,41A,41B,41C,41D,41E…第1上部電極
42,42A,42B,42C,42D…第2上部電極
51,52…拡散領域
60…引き出し電極
61,61A,61B…第1配線導体
62…第2配線導体
71…第1外部電極
72…第2外部電極
101,104…容量素子
102,103,202…可変容量素子

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板に形成された下部電極と、
    前記下部電極に対向配置された複数の第1上部電極と、
    前記下部電極に対向配置された複数の第2上部電極と、
    前記下部電極と前記複数の第1上部電極との間、及び前記下部電極と前記複数の第2上部電極との間に配置された誘電体層と、
    前記複数の第1上部電極を互いに接続する第1配線導体と、
    前記複数の第2上部電極を互いに接続する第2配線導体と、
    を備え、
    前記複数の第1上部電極及び前記複数の第2上部電極は、前記下部電極に沿った面方向で第1軸方向に、前記第1上部電極と前記第2上部電極とが隣接し、かつ前記下部電極に沿った面方向で第2軸方向に、前記第1上部電極と前記第2上部電極とが隣接する状態に配置されたことを特徴とする、
    容量素子。
  2. 互いに隣接する前記第1上部電極と前記第2上部電極との間隔は前記第1軸方向と前記第2軸方向とで実質的に等しい、請求項1に記載の容量素子。
  3. 前記第1配線導体及び前記第2配線導体は前記下部電極よりもシート抵抗が低い、請求項1又は2に記載の容量素子。
  4. 前記下部電極はPtを主成分とする金属であり、前記第1配線導体及び前記第2配線導体はCu又はAlを主成分とする金属である、請求項3に記載の容量素子。
  5. 前記誘電体層は強誘電体層であり、前記下部電極と前記第1上部電極との間に印加されるバイアス電圧によって前記下部電極と前記第1上部電極との間の容量が定まり、前記下部電極と前記第2上部電極との間に印加されるバイアス電圧によって前記下部電極と前記第2上部電極との間の容量が定まる、請求項1から4のいずれかに記載の容量素子。
  6. 前記基板に形成され、
    前記下部電極と前記第1上部電極との間、及び前記下部電極と前記第2上部電極との間にそれぞれ前記バイアス電圧を印加するバイアス電圧経路を構成する、バイアス電圧印加用抵抗素子を更に備える、請求項5に記載の容量素子。
  7. 前記基板に形成され、
    異なる抵抗値を有する複数の分圧用抵抗素子と、当該複数の分圧用抵抗素子に印加される複数の制御電圧を受ける制御電圧入力部とで構成され、前記制御電圧入力部に印加される電圧に応じて複数通りの電圧を前記バイアス電圧として出力するバイアス電圧生成回路を更に備える、請求項5又は6に記載の容量素子。
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